火電機(jī)組一次調(diào)頻精細(xì)化控制策略

吳 瓊，潘 寧

（華能國(guó)際電力股份有限公司南通電廠，江蘇南通 226003）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)容量逐步增大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日愈復(fù)雜，用戶用電結(jié)構(gòu)趨于多樣。電網(wǎng)頻率成為評(píng)價(jià)供電安全和電能品質(zhì)的核心指標(biāo)，電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行取決于發(fā)電量與用電量之間的能量平衡。在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的故障和用戶電量的波動(dòng)都可能引起計(jì)劃負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷間產(chǎn)生偏差，會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率變化造成負(fù)面影響。電網(wǎng)如果發(fā)生有功缺額的情況，電網(wǎng)頻率下降，反之電網(wǎng)頻率上升。電網(wǎng)主要通過(guò)在線發(fā)電機(jī)組的熱慣性和調(diào)頻性能抑制頻率偏差，進(jìn)而減少電網(wǎng)頻率波動(dòng)的過(guò)渡時(shí)間，最終穩(wěn)定電網(wǎng)中動(dòng)態(tài)變化的頻率。

近年來(lái)，江蘇電網(wǎng)增進(jìn)了大量風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組，這些新能源機(jī)組容易受自然環(huán)境的制約，同時(shí)大容量發(fā)電機(jī)組突發(fā)跳閘停機(jī)，要求火電機(jī)組承擔(dān)艱巨的一次調(diào)頻任務(wù)，因此準(zhǔn)確迅速地響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻需求，成為火電機(jī)組承擔(dān)的重要任務(wù)。

1 江蘇電網(wǎng)一次調(diào)頻考核細(xì)則

目前江蘇電網(wǎng)的兩個(gè)細(xì)則要求10 萬(wàn)千瓦以上發(fā)電機(jī)組具備有一次調(diào)頻的功能，負(fù)荷調(diào)整限幅設(shè)置不得低于±6%的額定容量。機(jī)組的一次調(diào)頻性能優(yōu)先采信一次調(diào)頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，即電網(wǎng)頻率真實(shí)擾動(dòng)時(shí)一次調(diào)頻在線動(dòng)作情況，如當(dāng)月無(wú)滿足條件數(shù)據(jù)，則由一次調(diào)頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人工隨機(jī)測(cè)定。一次調(diào)頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)啟動(dòng)條件為：頻差＞0.033 Hz 并持續(xù)20 s以上、最大頻差＞0.067 Hz、躍變時(shí)間不超過(guò)15 s。人工測(cè)定由調(diào)度發(fā)出增負(fù)荷測(cè)試或減負(fù)荷測(cè)試信號(hào)，信號(hào)保持45 s 脈沖，進(jìn)行一次調(diào)頻±3%Pe 增或減負(fù)荷測(cè)試。燃煤機(jī)組一次調(diào)頻積分因數(shù)要求0～15 s、0～30 s、0～45 s 必須達(dá)到0.4、0.6、0.7。

式中 Hi——一次調(diào)頻實(shí)際積分電量，MW

He——一次調(diào)頻理論積分電量，MW

t0——一次調(diào)頻起始時(shí)間，s

ti——當(dāng)前時(shí)間，s

P0——t0時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際功率，MW

Pi——目前的實(shí)際功率，MW

Pg——頻差經(jīng)轉(zhuǎn)速不等率計(jì)算的理論功率，MW

外界對(duì)滾筒的約束主要為軸承對(duì)滾筒軸的約束，利用Workbench的圓柱約束(Cylindrical Support)，限制除轉(zhuǎn)動(dòng)方向的其他自由度，驅(qū)動(dòng)扭矩加載在輸入軸一端。

Kf——一次調(diào)頻積分因數(shù)

2 華能南通電廠機(jī)組一次調(diào)頻功能介紹

華能南通電廠二期為2×350 MW 機(jī)組，協(xié)調(diào)和DEH（數(shù)字電液控制系統(tǒng)）采用整套DCS（分布式控制系統(tǒng)）控制，DCS 采用了EMERSON 公司OVATION3.5 的系列產(chǎn)品。一次調(diào)頻控制策略采用傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制（CCS+DEH）相結(jié)合的控制方式，頻率偏差經(jīng)過(guò)調(diào)頻函數(shù)計(jì)算后，一方面根據(jù)轉(zhuǎn)速不等率轉(zhuǎn)換為負(fù)荷需求指令，疊加到經(jīng)過(guò)了限幅限速功能處理的負(fù)荷指令上，作為實(shí)際指令進(jìn)入CCS（機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）負(fù)荷控制邏輯中；另一方面計(jì)算成汽輪機(jī)調(diào)門流量前饋，直接引起汽輪機(jī)調(diào)門的開度變化。這種CCS+DEH 方式綜合了機(jī)組機(jī)爐響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，可以充分利用蓄熱潛能，使汽機(jī)和鍋爐同時(shí)響應(yīng)以滿足電網(wǎng)響應(yīng)要求，是目前比較常見的方案，其控制邏輯框圖如圖1 所示。

函數(shù)f（x）設(shè)置要綜合轉(zhuǎn)速不等率、頻差死區(qū)、負(fù)荷變化范圍3 方面因素：

圖1 傳統(tǒng)CCS+DEH 一次調(diào)頻控制

2.1 轉(zhuǎn)速不等率

轉(zhuǎn)速不等率δ 是反映汽輪機(jī)調(diào)頻能力的重要指標(biāo)，代表功率的相對(duì)變化對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速的相對(duì)變化，指機(jī)組各調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)定值不變的情況下，從零至額定功率相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化值與額定轉(zhuǎn)速N0（3000 r/min）相比，其公式如下：

機(jī)組的負(fù)荷實(shí)際變化中，ΔN 表示實(shí)際調(diào)節(jié)中轉(zhuǎn)速變化，Pe為機(jī)組額定負(fù)荷，Pg為頻差經(jīng)轉(zhuǎn)速不等率計(jì)算的理論功率，轉(zhuǎn)速不等率可表示為:

可計(jì)算得出：

可見，轉(zhuǎn)速不等率與功率變化量呈反比，δ 越大，機(jī)組對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻能力越小，運(yùn)行就越穩(wěn)定；δ 越小，調(diào)頻的能力就越強(qiáng)，但運(yùn)行的穩(wěn)定性會(huì)變差。綜述，轉(zhuǎn)速不等率較好地反映當(dāng)前機(jī)組一次調(diào)頻能力的強(qiáng)弱，目前華能南通電廠機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置為5%。

2.2 頻差死區(qū)

頻差死區(qū)的設(shè)置是為了防止汽機(jī)調(diào)門在電網(wǎng)頻率小幅度波動(dòng)時(shí)無(wú)謂的頻繁動(dòng)作，如果調(diào)頻過(guò)于靈敏，將不利于設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。南通電廠機(jī)組的一次調(diào)頻死區(qū)均設(shè)置為:±2 r/min，也就是說(shuō)當(dāng)轉(zhuǎn)速范圍在2998～3002 r/min，調(diào)頻指令將不會(huì)動(dòng)作。

2.3 負(fù)荷變化范圍

為了兼顧機(jī)組的調(diào)頻能力及設(shè)備的安全運(yùn)行，需要防止一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)DEH 和CCS 的大幅度變化，調(diào)門大幅波動(dòng)對(duì)運(yùn)行工況造成干擾。根據(jù)江蘇電網(wǎng)細(xì)則要求，南通電廠最大一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速值為11 r/min，負(fù)荷變化范圍為±6%Pe。一次調(diào)頻響應(yīng)曲線如圖2 所示。

圖2 一次調(diào)頻響應(yīng)曲線

3 機(jī)組一次調(diào)頻性能影響因素和精細(xì)優(yōu)化策略

一次調(diào)頻在當(dāng)前網(wǎng)源協(xié)調(diào)的范疇內(nèi)是與電網(wǎng)聯(lián)系的重要控制因素，華能南通電廠采用CCS+DEH 經(jīng)典的調(diào)頻策略，能夠滿足大部分工況下的一次調(diào)頻需求指標(biāo)，但當(dāng)出現(xiàn)頻率信號(hào)采樣誤差、汽機(jī)調(diào)門流量曲線不線性、一次調(diào)頻和自動(dòng)發(fā)電控制指令之間沖突、小頻差擾動(dòng)下機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)滯后，機(jī)組蓄熱不足或滑壓方式影響等問(wèn)題時(shí)，容易造成機(jī)組一次調(diào)頻效果不理想，以下針對(duì)出現(xiàn)的真實(shí)工況，提出研究并實(shí)施了合理的解決措施。

3.1 頻率信號(hào)采集方式優(yōu)化

電網(wǎng)側(cè)考核并網(wǎng)機(jī)組的一次調(diào)頻響應(yīng)能力是根據(jù)機(jī)組PMU（同步相量測(cè)量單元）裝置中測(cè)量的信號(hào)經(jīng)計(jì)算得到的，而華能南通電廠機(jī)組原頻率信號(hào)來(lái)自于頻率變送器的測(cè)量值，有些機(jī)組則采用汽機(jī)轉(zhuǎn)速卡測(cè)量的轉(zhuǎn)速信號(hào)作為了頻率信號(hào)，這些信號(hào)均可能與電網(wǎng)實(shí)際頻率存在偏差。實(shí)際證明，這種信號(hào)不同源誤差容易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻各項(xiàng)指標(biāo)偏離標(biāo)準(zhǔn)值較大，特別是會(huì)出現(xiàn)小頻差不響應(yīng)的現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題，南通電廠對(duì)機(jī)組PMU 裝置進(jìn)行同源改造，有針對(duì)性地安裝了一套頻率同源裝置。將PMU 裝置上的頻率和功率信號(hào)引入DEH，一方面頻率信號(hào)作為一次調(diào)頻動(dòng)作指令的計(jì)算，另一方面功率信號(hào)作為實(shí)時(shí)負(fù)荷的反饋，解決了頻率采集的可靠性和負(fù)荷傳輸?shù)囊恢滦?，真正?shí)現(xiàn)機(jī)組調(diào)頻與電網(wǎng)需求的同步響應(yīng)。

3.2 調(diào)頻指令之間的沖突以及小頻差擾動(dòng)下響應(yīng)滯后

華能南通電廠機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，一次調(diào)頻人工測(cè)試基本100%達(dá)標(biāo)，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)試經(jīng)常不滿足標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)時(shí)調(diào)頻的迅速性和精準(zhǔn)性才是真正反映涉網(wǎng)機(jī)組調(diào)頻性能的真實(shí)指標(biāo)。經(jīng)仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不合格主要由于一次調(diào)頻與AGC 指令的沖突和小頻差擾動(dòng)下響應(yīng)滯后引起的，采取了以下優(yōu)化方案。

《江蘇電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行考核辦法》中指出：在一次調(diào)頻測(cè)試期間，調(diào)度機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)保持機(jī)組AGC 控制指令不變，發(fā)電企業(yè)無(wú)需退出AGC 運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在一次調(diào)頻人工測(cè)試期間，調(diào)度機(jī)構(gòu)可維持AGC 指令不變，但一次調(diào)頻實(shí)時(shí)測(cè)試期間，AGC 指令常常出現(xiàn)與一次調(diào)頻負(fù)荷指令反向動(dòng)作現(xiàn)象，從而引起一次調(diào)頻動(dòng)作指標(biāo)不合格。為了讓發(fā)電機(jī)組優(yōu)先執(zhí)行一次調(diào)頻指令，電廠進(jìn)行了一次調(diào)頻邏輯優(yōu)化，判斷一次調(diào)頻響應(yīng)需求動(dòng)作時(shí)，則閉鎖45 s AGC 指令方向動(dòng)作。也就是一次調(diào)頻實(shí)時(shí)響應(yīng)要增負(fù)荷時(shí)，閉鎖AGC 指令減??；如果一次調(diào)頻實(shí)時(shí)響應(yīng)需減小負(fù)荷，則閉鎖AGC 指令增大。

一般情況下，電網(wǎng)頻率小幅擾動(dòng)，那么一次調(diào)頻量的輸出值較小，尚需克服調(diào)速系統(tǒng)遲緩率和負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間，往往會(huì)造成調(diào)頻不達(dá)標(biāo)甚至反方向動(dòng)作結(jié)果。因此電廠將邏輯優(yōu)化為：判斷一次調(diào)頻響應(yīng)需求動(dòng)作，則通過(guò)超前環(huán)節(jié)，使一次調(diào)頻負(fù)荷輸出指令變化加快，當(dāng)頻率趨于穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)滯后環(huán)節(jié)，繼續(xù)保持一段時(shí)間輸出指令緩慢下降，這樣快動(dòng)緩回的控制策略可以很大程度上優(yōu)化小頻差擾動(dòng)下調(diào)頻性能，同時(shí)能解決一次調(diào)頻實(shí)時(shí)測(cè)試時(shí)實(shí)際調(diào)頻時(shí)間不滿足45 s 但考核維持45 s，這一現(xiàn)象所引發(fā)的更高調(diào)頻要求，邏輯設(shè)計(jì)如圖3 所示。

以上兩種方案均提到了“一次調(diào)頻響應(yīng)需求動(dòng)作”判斷條件，這一條件的觸發(fā)門檻不能太高，否則優(yōu)化策略難以發(fā)揮作用；也不能過(guò)于降低，否則會(huì)引起日常機(jī)組負(fù)荷出現(xiàn)頻繁的波動(dòng)，不利于AGC 調(diào)節(jié)精度和安全運(yùn)行。為了兼顧各方面綜合因素，結(jié)合江蘇省網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則實(shí)時(shí)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，電廠將該判斷條件規(guī)定如下：①電網(wǎng)頻差＞0.05 Hz；②電網(wǎng)頻差＞0.033 Hz 滿足10 s；③不在一次調(diào)頻性能參數(shù)測(cè)試（僅監(jiān)測(cè)模擬參數(shù)，無(wú)需實(shí)際調(diào)頻）。實(shí)踐證實(shí)，以上條件能有效兼顧一次調(diào)頻響應(yīng)指標(biāo)和機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行需要。

3.3 基于模型預(yù)估調(diào)頻積分因數(shù)以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)頻

圖3 快動(dòng)緩回一次調(diào)頻邏輯

電廠的傳統(tǒng)CCS+DEH 調(diào)頻回路對(duì)于單元機(jī)組來(lái)說(shuō)是開環(huán)調(diào)節(jié)，依據(jù)固有的調(diào)頻特性和機(jī)組蓄熱發(fā)揮作用，將理論貢獻(xiàn)負(fù)荷與實(shí)際貢獻(xiàn)負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比，可以提前預(yù)判是否滿足電網(wǎng)的調(diào)頻需求。當(dāng)一次調(diào)頻判斷開始后，積分模塊分別計(jì)算實(shí)際貢獻(xiàn)負(fù)荷和理論貢獻(xiàn)負(fù)荷，兩者之比計(jì)算得到電網(wǎng)考核的一次調(diào)頻積分因數(shù)。若該因數(shù)與考核因數(shù)存在偏差，則適當(dāng)動(dòng)態(tài)修正DEH和CCS 側(cè)的調(diào)頻作用。

參考江蘇電網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則要求“15 s 積分因數(shù)必須達(dá)到0.4，30 s 積分因數(shù)必須達(dá)到0.6，45 s 積分因數(shù)必須達(dá)到0.7”，電廠邏輯計(jì)算得到的積分因數(shù)10 s 未達(dá)到0.4，22 s 未達(dá)到0.6，37 s 未達(dá)到0.7，則判斷為一次調(diào)頻響應(yīng)滯后，該信號(hào)能聯(lián)鎖動(dòng)態(tài)調(diào)整DEH 和CCS 側(cè)調(diào)頻參數(shù)，主要體現(xiàn)在：增加頻差至DEH 流量指令的疊加因數(shù)，增強(qiáng)CCS 側(cè)一次調(diào)頻負(fù)荷指令，減弱CCS 側(cè)主汽壓力的拉回作用，在主汽溫安全范圍內(nèi)閉鎖減溫水調(diào)閥的反向干擾。這種積分因數(shù)偏差糾正方法的應(yīng)用，很大程度上解決了機(jī)組側(cè)一次調(diào)頻開環(huán)調(diào)節(jié)的弊端。目前電網(wǎng)在逐漸提倡一次調(diào)頻作用不宜過(guò)強(qiáng)，防止網(wǎng)內(nèi)頻率反向過(guò)調(diào)，這種思路也可以應(yīng)用在當(dāng)機(jī)組調(diào)頻貢獻(xiàn)過(guò)強(qiáng)時(shí)，適當(dāng)減弱調(diào)頻作用。邏輯設(shè)計(jì)如圖4、圖5 所示。

3.4 優(yōu)化汽機(jī)調(diào)門流量曲線

華能南通電廠機(jī)組中修、大修期間，高壓調(diào)閥均會(huì)進(jìn)行解列維修，重新裝配后會(huì)發(fā)現(xiàn)閥門流量特性曲線與理論不匹配；調(diào)門安裝完畢進(jìn)行的冷態(tài)校驗(yàn)零位經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后產(chǎn)生膨脹，常常熱態(tài)零位顯示在2%～3%，造成流量曲線重疊度不足。調(diào)門流量特性試驗(yàn)有順序閥和單閥兩種方式，本文不詳細(xì)描述。在機(jī)組正常運(yùn)行中，若發(fā)現(xiàn)在某個(gè)負(fù)荷區(qū)域出現(xiàn)負(fù)荷響應(yīng)不足、汽壓調(diào)節(jié)波動(dòng)、調(diào)門頻繁開關(guān)等現(xiàn)象，建議關(guān)注該區(qū)域下的流量特性。將機(jī)組退出協(xié)調(diào)和一次調(diào)頻，汽機(jī)和鍋爐控制站置手動(dòng)方式或爐跟蹤方式，在不理想的負(fù)荷區(qū)進(jìn)行小幅度的機(jī)主控輸出變化，觀察主汽流量的變化是否線性，若出現(xiàn)明顯滯后或過(guò)強(qiáng)，則稍作改變?cè)搮^(qū)域的拐點(diǎn)。

圖4 一次調(diào)頻積分因數(shù)計(jì)算

圖5 一次調(diào)頻動(dòng)作滯后信號(hào)

機(jī)組正常運(yùn)行中，常常發(fā)現(xiàn)調(diào)門熱態(tài)零位偏差或初始位置存在空行程。華能南通電廠二期機(jī)組基建時(shí)，汽輪機(jī)采用GE 進(jìn)口MARK V 調(diào)速系統(tǒng)，該調(diào)速器冷態(tài)校驗(yàn)汽輪機(jī)調(diào)門開度時(shí)，將全關(guān)位置標(biāo)定為－5%，因此實(shí)際運(yùn)行中的零位則大約在開度5%左右，這一做法很好地彌補(bǔ)了調(diào)門零位調(diào)節(jié)的滯后現(xiàn)象。電廠將DEH 改為DCS 一體化控制系統(tǒng)后，雖然新DCS 控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)原模式標(biāo)定，但也可參照此思路，于DCS 邏輯中對(duì)調(diào)門特性曲線的零位偏置進(jìn)行修改，彌補(bǔ)初始位置的流量變化滯后現(xiàn)象。

機(jī)組閥門流量特性試驗(yàn)實(shí)施時(shí)，要注意保證主汽壓穩(wěn)定，機(jī)、爐主控每次輸出幅度不宜超過(guò)2%，待機(jī)組各參數(shù)調(diào)節(jié)穩(wěn)定后再進(jìn)行下一步試驗(yàn)。建議機(jī)組DEH 閥門流量函數(shù)多增加幾處拐點(diǎn)，以方便運(yùn)行期間在線修正。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)及調(diào)試，華能南通電廠機(jī)組一次調(diào)頻功能滿足了電網(wǎng)調(diào)頻需要，并實(shí)現(xiàn)了在深度調(diào)峰30%負(fù)荷工況下的±3%Pe調(diào)頻測(cè)試，2019 年度機(jī)組一次調(diào)頻指標(biāo)未發(fā)生考核。電廠技術(shù)人員從實(shí)踐出發(fā)，以問(wèn)題為導(dǎo)向，逐步科學(xué)推進(jìn)精細(xì)化控制策略，提升了機(jī)組在協(xié)調(diào)系統(tǒng)和汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平，也為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件。